塔山礦井下供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造

郭健苗

（大同煤礦集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037000）

同煤集團(tuán)塔山礦位于大同市，是一座年產(chǎn)量400萬t以上的大型礦井。隨著塔山煤礦井下各類機(jī)電設(shè)備的不斷投入使用，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的要求越來越高。塔山礦現(xiàn)有KJ70系列井下供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)僅具備初始的對(duì)供電系統(tǒng)整體電流、電壓情況的監(jiān)測(cè)，而塔山礦井下的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布廣泛，各類供電設(shè)備的供電線路之間盤根錯(cuò)節(jié)，極易產(chǎn)生電磁干擾，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)只能對(duì)故障區(qū)域內(nèi)的所有線路進(jìn)行逐級(jí)的排查，效率低下。井下長時(shí)間的停電不僅會(huì)給煤礦綜采作業(yè)帶來嚴(yán)重影響，也給煤礦井下的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的隱患。因此為了提升塔山礦井下供電系統(tǒng)的安全性，技改小組提出了以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）結(jié)合ARM微處理器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案。以ARM微處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電流、電壓等關(guān)鍵供電參數(shù)的全面監(jiān)控，及時(shí)判斷系統(tǒng)供電過程中的異常問題并隔離，將對(duì)供電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性的影響降到最低。目前該系統(tǒng)已通過專業(yè)安全技術(shù)檢驗(yàn)合格，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳遞到同煤集團(tuán)的監(jiān)察網(wǎng)絡(luò)中心，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到改造要求。

1 供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

根據(jù)塔山礦的實(shí)際情況，所提出的井下供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。整個(gè)系統(tǒng)包含了供電系統(tǒng)高壓開關(guān)綜保系統(tǒng)、煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)以及井上集中監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)。高壓開關(guān)綜保系統(tǒng)主要用于對(duì)井下各個(gè)分區(qū)內(nèi)的供電網(wǎng)絡(luò)的安全保護(hù)，收集供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓、電流等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)供電參數(shù)進(jìn)行分析判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)給高壓開關(guān)綜保系統(tǒng)一個(gè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，系統(tǒng)直接切斷該區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)連接，防止故障對(duì)臨近區(qū)域產(chǎn)生影響，將故障范圍控制在最小的區(qū)域內(nèi)，最大限度保證煤礦井下的供電安全性。井下數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)主要是完成保護(hù)裝置和地面監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。系統(tǒng)采用了RS485數(shù)據(jù)通信總線，各個(gè)通信分站之間采用國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸高效、穩(wěn)定、抗干擾性的要求。地面集中監(jiān)測(cè)控制中心主要是對(duì)井下各個(gè)監(jiān)控分站進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將各類數(shù)據(jù)通過圖表信息等顯示在監(jiān)控界面上，便于監(jiān)控人員對(duì)井下各監(jiān)控分站內(nèi)的電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)人員對(duì)井下各個(gè)監(jiān)控分站的遠(yuǎn)程控制，滿足供電系統(tǒng)安全供電需求。

圖1 塔山礦井下電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸線路升級(jí)

塔山礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸線為普通的雙絞線結(jié)構(gòu)，只能滿足一般情況下的數(shù)據(jù)傳輸需求，但煤礦井下工作環(huán)境惡劣、各類用電設(shè)備分布復(fù)雜，在巷道復(fù)雜而且狹小的地質(zhì)環(huán)境下存在嚴(yán)重的電磁干擾，造成數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸過程中存在著極大的電磁波動(dòng)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和識(shí)別。因此在進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，將普通的雙絞線結(jié)構(gòu)換成了雙屏蔽電纜，其主要包含了分相屏蔽層和分相絕緣層[2]。在使用的時(shí)候?qū)㈦娎|的分相屏蔽層進(jìn)行接地處理，供電系統(tǒng)在工作過程中一旦出現(xiàn)了電流過大等異常，則能夠立刻通過屏蔽電纜的分相屏蔽層進(jìn)行電流的分流，確保系統(tǒng)的供電安全。同時(shí)該雙屏蔽電纜由于屏蔽層的存在能夠有效地對(duì)過大的電流進(jìn)行分流處理，防止了過大電流泄漏而造成的觸電事故，極大地提升了井下作業(yè)人員工作的安全性。根據(jù)井下抗干擾、通信安全的要求，所設(shè)定的雙屏蔽層電流的保護(hù)動(dòng)作特性如表1所示。

表1 雙屏蔽電纜絕緣監(jiān)視動(dòng)作控制特性匯總

3 高壓綜保開關(guān)原理

塔山礦在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，所選擇的高壓綜保開關(guān)為KYN28A，其工作原理的結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 高壓綜保開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知，該綜保開關(guān)由互感器、濾波器、整流電路等組成，其通過互感器對(duì)供電線路的三相電流、電壓等進(jìn)行監(jiān)控，然后利用濾波器將所采集到的交流電轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，在采集過程中系統(tǒng)也同時(shí)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的絕緣信號(hào)進(jìn)行濾波處理，整體轉(zhuǎn)化完成后通過轉(zhuǎn)換電路將收集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字處理信號(hào)。綜保開關(guān)的處理器接收到數(shù)字信號(hào)后根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)換邏輯對(duì)其進(jìn)行判別，完成對(duì)系統(tǒng)開關(guān)監(jiān)測(cè)量的控制，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)定的警戒區(qū)域的對(duì)比分析，即可確定是否進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

該高壓綜保裝置采用了RS-485數(shù)據(jù)總線接口[4]，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)情況和保護(hù)裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，采用了屏蔽外殼結(jié)構(gòu)，具有防爆和防電磁干擾的功能，能夠滿足在煤礦井下惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸需求，穩(wěn)定性高，可靠性好，自投入應(yīng)用以來表現(xiàn)出了極強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 應(yīng)用效果分析

塔山礦采用新的供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)后極大地提升了電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性。通過對(duì)2019/4/30～2019/9/30期間電網(wǎng)異常情況的監(jiān)控，表明采用新的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)后，電網(wǎng)運(yùn)行過程中的跳閘、短路異常比2018年同期下降了94%以上，同時(shí)取消了一個(gè)井下供電巡查員崗位，平均節(jié)約人力和維護(hù)成本約15萬元，因供電網(wǎng)絡(luò)問題而導(dǎo)致的停產(chǎn)時(shí)間比優(yōu)化前縮短了87.6%，平均每天提升產(chǎn)能約1500t，極大地提升了塔山礦的經(jīng)濟(jì)效益。

2018年和2019年4～9月期間塔山礦的電網(wǎng)系統(tǒng)的異常次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間電網(wǎng)異常次數(shù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文針對(duì)塔山礦現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度低下、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)波動(dòng)大、無法滿足煤礦井下供電安全的現(xiàn)狀，提出了一種以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）結(jié)合ARM微處理器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)改造方案，該系統(tǒng)以ARM微處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電流、電壓等關(guān)鍵供電參數(shù)的全面監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：該監(jiān)控系統(tǒng)包含了供電系統(tǒng)高壓開關(guān)綜保系統(tǒng)、煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)以及井上集中監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)，具有集成度高、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地抵抗井下復(fù)雜的電磁環(huán)境，提升數(shù)據(jù)傳輸精確性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)自應(yīng)用以來，電網(wǎng)運(yùn)行過程中的跳閘、短路異常下降了94%以上，平均節(jié)約人力和維護(hù)成本約15萬元/半年，因供電網(wǎng)絡(luò)問題而導(dǎo)致的停產(chǎn)時(shí)間比優(yōu)化前縮短了87.6%，平均每天提升產(chǎn)能約1500t，極大地提升了塔山礦的經(jīng)濟(jì)效益。